báo cáo tốt nghiệp công nghệ anten

TRƯỜNG …………………
KHOA………………………
[\[\




BÁO CÁO TỐT NGHIỆP

Đề tài:


Công nghệ Anten
1
Mục lục
Trang
LỜI NÓI ĐẦU ……………………………………………………………………. 3
TÓM TẮT NỘI DUNG …………………………………………………………… 5
CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN …………………………. 6
CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT ANTEN…………………………………………… 7
1.1 Khái niệm về anten ………………………………………………………… 7
1.2 Hệ phương trình Maxwell ……………………………………………………. 7
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ ………………………………… 7
1.4 Các thông số cơ bản của anten ……………………………………………… 8
1.4.1 Trở kháng vào của anten ………………………………………………. 10
1.4.2 Hiệu suất của anten ……………………………………………………. 10
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích …………………………………… 11
1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten …………………………11
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương …………………………… 12
1.4.6 Tính phân cực của anten ……………………………………………… 13

1.4.7 Dải tần của anten ………………………………………………………. 13
1.5 Các hệ thống anten …………………………………………………………. 14
CHƯƠNG 2 ANTEN MẠCH DẢI 16
2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải ………………………. 16
2.1.1 Cấu tạo …………………………………………………………………. 16
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải ……………………………… 21
2.2 Tính phân cực của anten mạch dải …………………………………………. 22
2.3 Băng thông của anten mạch dải ……………………………………………. 24
2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải ……………………… 24
2.5 Nhược điểm của anten mạch dải và xu hướng phát triển ………………… 26
CHƯƠNG 3 TỔNG QUAN METAMATERIAL ……………………………. 27
3.1 Định nghĩa metamaterial ………………………………………………… 27
3.2 Đặc điểm của metamaterial ……………………………………………… 27
3.2.1 Điều kiện entropy ……………………………………………………… 33
3.2.2 Đảo ngược hiệu ứng Doppler ………………………………………… 33
3.2.3 Đảo ngược hiện tượng khúc xạ ……………………………………… 34
2
3.2.4 Ảnh hưởng đến các hệ số Fresnel …………………………………… 37
3.2.5 Đảo ngược hiệu ứng Goos-Hanchen ………………………………… 38
3.2.6 Đảo ngược sự hội tụ và phân kỳ trong thấu kính lồi và lõm ………… 40
3.3 Hướng phát triển của Metamaterial ………………………………………. 41
3.3.1 Những vật liệu nhân tạo “thực sự” …………………………………… 41
3.3.2 Thấu kính và các thiết bị quang có chiết suất âm 42
3.3.3 Thiết bị bảo vệ anten và bề mặt chọn lựa tần số 44
3.3.4 MTMs linh hoạt ……………………………………………………… .44
3.4 Lý thuyết anten metamaterial …………………………………………… 44
3.4.1 Cấu trúc CRLH TLs lý tưởng ……………………………………… 45
3.4.1.1 Những đặc tính cơ bản của TL ………………………………… 45
3.4.1.2 Cộng hưởng cân bằng và không cân bằng ……………………… 51
3.4.1.3 Thiết kế mạng LC ………………………………………………. 53

3.4.1.4 Xây dựng mô hình CRLH 1D ………………………………… 56
3.4.2 Lý thuyết anten bước sóng vô hạn trên cấu trúc chu kỳ ………………. 57
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ ANTEN METAMATERIAL …………………… 61
4.1 Thiết kế anten metamaterial ………………………………………………… 61
4.2 Thực nghiệm và đo đạc …………………………………………………… 70
KẾT LUẬN CHUNG ……………………………………………………………. 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… 75














3

LỜI NÓI ĐẦU

Thông tin đã xuất hiện từ rất lâu từ khi con người đã biết dùng lửa, tiếng động
âm thanh, các kí hiệu tượng hình để liên lạc trao đổi. Trải qua quá trình phát triển,
nhu cầu thông tin liên lạc của con người cũng đòi hỏi phù hợp với thực tế đó là
nhanh, chính xác và xa trong khi đó nếu vẫn giữ cách thức liên lạc từ xa xưa thì
không thể đáp ứng được vì khả năng hạn chế và sự rủi ro. Chính từ nhu cầu đó đã

thôi thúc con người phải tìm ra cách thức liên lạc mới và đến năm 1837 Samuel
Morse đã phát minh ra ám hiệu truyền tin dựa trên cách thức đóng mở dòng điện
gây nên tiếng (tich te). Với phát minh này nó đã làm giảm đi nhiều độ rủi ro của
thông tin tuy nhiên nó vẫn bị hạn chế bởi khoảng cách xa và cho đến năm 1894
Maxwell đã đưa ra lý thuyết về một dạng vật chất mới có thể lan truyền được đi xa
và ngay cả trong chân không đó là sóng điện từ thì thông tin đã có thể khắc phục
được hạn chế bởi khoảng cách địa lý. Điều này được thực tế hoá bởi Maconi, ông
đã thành công trong việc truyền tín hiệu Morse bằng sóng vô tuyến qua Đại Tây
Dương vào năm 1902. Sự kiện này đã mở ra một kỷ nguyên mới vể thông tin liên
lạc, tạo tiền đề cho nhiều ứng dụng trong viễn thông sau này.
Đóng góp vào thông tin liên lạc thì không thể không kể tới vai trò của anten
một thiết bị dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu. Anten cũng đã xuất hiện từ lâu
có thể nói nó cũng có cùng niên đại với thông tin liên lạc mới. Anten dần trở nên
phổ biến từ khi xuất hiện những chiếc radio đầu tiên hay những chiếc ti vi đèn hình
tất cả đều sử dụng đến nó. Lúc đó anten có cấu tạo rất đơn giản chỉ là những chiếc
anten đơn cực sau dần là hệ thống anten Yagi được ứng dụng rất nhiều và phổ biến.
Để đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc ngày càng phát triển thì công nghệ anten
cũng phải phát triển theo điển hình là những ứng dụng truyền đi xa như thông tin
vệ tinh thì anten phải thiết kế sao cho truyền được tín hiệu đi xa mà không tốn
nhiều công suất phát, có thể sử dụng anten parabol để thu phát vì với loại anten này
nó có độ lợi cao và độ định hướng lớn. Ngoài ra không thể không nói đến xu hướng
của thời đại mới là nhỏ gọn, đa ứng dụng. Đây là những điều tất yếu và anten cũng
vậy nó cũng phải nhỏ gọn để đáp ứng được yêu cầu trên, chính vì vậy mà từ những
4
năm 70 mà công nghệ anten mạch dải đã được nghiên cứu và phát triển. Đặc điểm
nổi bật của anten loại này là nhỏ gọn, dễ chế tạo, có độ định hướng tương đối cao,
và đặc biệt là dễ dàng tích hợp với hệ thống xử lý tín hiệu. Những đặc tính trên đã
giúp antnen mạch dải được quan tâm nhiều hơn trong công nghệ tương lai và hiện
tại nó được sử dụng rất rộng rãi như trong công nghệ di động, mạng WLAN, anten
thông minh và hệ thống tích hợp siêu cao tần. Tuy nhiên anten mạch dải cũng có

những nhược điểm là :
 Băng thông hẹp, một số anten vi dải có độ lợi thấp
 Suy hao điện trở lớn trên cấu trúc cung cấp của mảng anten
 Có bức xạ thừa từ đường truyền và các mối nối
 Hiệu suất năng lượng có thể sử dụng được thấp
Để cải thiện được những nhược điểm trên đã có rất nhiều cách thức như hệ
thống anten mảng (Array antenna) để tăng độ lợi cho anten, ngoài ra có thể điều
khiển được búp sóng. Ngoài ra còn có những cải thiện về vật chất cho anten một
trong những cải thiện đó là metamaterial vì nó có những đặc tính khác biệt so với
các vật liệu thông thường như có , < 0 và có mode cộng hưởng sóng ngược …
Những đặc tính đó sẽ được lần lượt giới thiệu trong luận văn
Em xin chân thành cảm ơn thầy Phan Anh đã đinh hướng cho em làm luận văn
này, em cảm ơn thầy Thẩm Đức Phương và bạn bè đã có những góp ý và động viên
em sâu sắc. Và đặc biệt em rất chân thành cảm ơn Thạc sĩ Trần Thị Thuý Quỳnh đã
tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho em hoàn thành luận văn tốt nghiệp .











5

TÓM TẮT NỘI DUNG

Nội dung của khoá luận chia làm 4 chương:
Chương 1: Lý thuyết anten. Trong chương này giới thiệu một nét rất khái quát thế
nào là hệ thống anten. Tiếp đến là giới thiệu các thông số cơ bản của anten trong lý
thuyết cũng như trong thực tế. Và cuối cùng là một cái nhìn chung về hệ thống
anten hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực.
Chương 2: Anten mạch dải. Trong chương này giới thiệu những điều cơ bản về
anten mạch dải như lịch sử ra đời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Tiếp đến là các
phương pháp phân tích và công thức tính toán cho anten mạch dải. Cuối cùng là
hướng đi mới trong tương lai cho loại anten này.
Chương 3: Tổng quan Metamaterial. Đây chính là phần trọng tâm của luận văn đề
cập đến vấn đề rất mới trên thế giới là công nghệ vật liệu nhân tạo có ,  < 0. Tiếp
đến luận văn tập trung vào các hiện tượng xảy ra đối với loại vật liệu này có khác
gì so với các vật liệu thông thường. Sau cùng là những ứng dụng của metamaterial
trong đó có anten metamaterial.
Chương 4: Thiết kế anten metamaterial. Trong chương này phân tích khá rõ những
thông số khi thiết kế và chỉ ra những lợi điểm của anten metamaterial. Cuối cùng là
kết quả thực nghiệm và những lời kết luận khái quát.











6
CÁC TỪ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN

CRLH Composite Right Left Handed
FDTD Finite Difference Time Domain
LH Left-Handed
MTMs MeTaMaterials
PLH Pure Left Handed
PRH Pure Right Handed
RH Right-Handed
TLs Transmission Lines
WLAN Wireless Local Area Network
















7
Thiết bị
điều chế
Máy phát

Hệ thống
cung cấp
tín hiệu

Hệ thống
bức xạ
Anten phát
Thiết bị
xử lý
Máy thu
Hệ thống
cảm thụ
bức xạ
Hệ thống
gia công
tín hiệu
Anten thu
Chương 1 LÝ THUYẾT ANTEN

1.1 Khái niệm về anten
Anten là thiết bị dùng để bức xạ sóng điện từ hoặc thu nhận sóng từ không gian bên
ngoài.
Với sự phát triển của kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin, rada điều khiển v.v cũng đòi
hỏi anten không chỉ đơn thuần làm nhiệm vụ bức xạ hay thu sóng điện từ mà còn tham gia
vào quá trình gia công tín hiệu.
Trong trường hợp tổng quát, anten cần được hiểu là một tổ hợp bao gồm nhiều hệ
thống, trong đó chủ yếu nhất là hệ thống bức xạ hoặc cảm thụ sóng bao gồm các phần tử
anten (dùng để thu hoặc phát), hệ thống cung cấp tín hiệu đảm bảo việc phân phối năng
lượng cho các phần tử bức xạ với các yêu cầu khác nhau (trường hợp anten phát), hoặc hệ
thống gia công tín hiệu (trường hợp anten thu). [1]

Hình 1.1 Hệ thống anten thu và phát [1]
1.2 Hệ phương trình Maxwell
Lý thuyết anten được xây dụng trên cơ sở những phương trình cơ bản của điện
động lực học: các phương trình Maxwell.
Trong phần này ta coi các quá trình điện từ là các quá trình biến đổi điều hoà theo
thời gian, nghĩa là có thể biểu diễn qui luật sin, cos dưới dạng phức
ti
e


8

)cos()Re( tEeEE
ti





(1.1b) hoặc
)sin()Im( tEeEE
ti




(1.1b)
Các phương trình Maxwell ở dạng vi phân được viết dưới dạng:

e
p
JEiHrot 


(1.2a)

HiErot


(1.2b)



e
Ediv 
(1.2c)

0Hdiv
(1.2d)

E
là biên độ phức của vecto cường độ điện trường (V/m)

H
là biên độ phức của vecto cường độ từ trường (A/m)










i
p
1
(1.3)
(hệ số điện thẩm phức của môi trường)
ε hệ số điện thẩm tuyệt đối của môi trường (F/m)
µ hệ số từ thẩm của môi trường (H/m)
σ điện dẫn xuất của môi trường (Si/m)

e
J là biên độ phức của vecto mật độ dòng điện (
2
m
A

)

e

là mật độ khối của điện tích. (
3
m
C
)
Biết rằng nguồn tạo ra trường điện từ là dòng điện và điện tích. Nhưng trong một số
trường hợp, để dễ dàng giải một số bài toán của điện động lực học, người ta đưa thêm vào
hệ phương trình Maxwell các đại lượng dòng từ và từ tích. Khái niệm dòng từ và từ tích
chỉ là tượng trưng chứ chúng không có trong tự nhiên.
Kết hợp với nguyên lý đổi lẫn, hệ phương trình Maxwell tổng quát được viết như
sau:

e
p
JEiHrot 

(1.4a)
m
JHiErot 

(1.4b)


m
Ediv 
(1.4c)

9


e
Hdiv 
(1.4d)
Giải hệ phương trình Maxwell ta được nghiệm là E,H. Trong phương trình nghiệm
nó cho chúng ta biết nguồn gốc sinh ra E,H và cách thức lan truyền.
1.3 Quá trình vật lý của sự bức xạ sóng điện từ
Về nguyên lý, bất kỳ hệ thống điện từ nào có khả năng tạo ra điện trường hoặc từ
trường biến thiên đều có bức xạ sóng điện từ, tuy nhiên trong thực tế sự bức xạ chỉ xảy ra
trong những điều kiện nhất định.
Để ví dụ ta xét một mạch dao động thông số tập trung LC, có kích thước rất nhỏ so
với bước sóng. Nếu đặt vào mạch một sức điện động biến đổi thì trong không gian của tụ
điện sẽ phát sinh điện trường biến thiên, còn trong không gian của cuộn cảm sẽ phát sinh
từ trường biến thiên. Nhưng điện từ trường này không bức xạ ra ngoài mà bị ràng buộc
với các phần tử của mạch. Năng lượng điện trường bị giới hạn trong khoảng không gian
của tụ điện, còn năng lượng từ trường chỉ nằm trong một thể tích nhỏ trong lòng cuộn
cảm.
Nếu mở rộng kích thước của tụ điện thì dòng dịch sẽ lan toả ra càng nhiều và tạo ra
điện trường biến thiên với biên độ lớn hơn trong khoảng không gian bên ngoài. Điện
trường biến thiên này truyền với vận tốc ánh sáng. Khi đạt tới khoảng cách khá xa so với
nguồn chúng sẽ thoát khỏi sự ràng buộc với nguồn, nghĩa là các đường sức điện sẽ không
còn ràng buộc với điện tích của 2 má tụ nữa mà chúng phải tự khép kín trong không gian
hay là hình thành một điện trường xoáy. Theo qui luật của điện trường biến thiên thì điện
trường xoáy sẽ tạo ra một từ trường biến đổi từ trường biến đổi lại tiếp tục tạo ra điện
trường xoáy hình thành quá trình sóng điện từ.
Phần năng lượng điện từ thoát ra khỏi nguồn và truyền đi trong không gian tự do
được gọi là năng lượng bức xạ (năng lượng hữu công). Phần năng lượng điện từ ràng
buộc với nguồn gọi là năng lượng vô công.[1]

1.4 Các thông số cơ bản của anten
Trong thực tế kỹ thuật một anten bất kỳ có các thông số về điện cơ bản sau đây [3]:
- Trở kháng vào
- Hiệu suất
- Hệ số định hướng và độ tăng ích.
- Đồ thị phương hướng.
- Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương.
- Tính phân cực
- Dải tần của anten.
10

1.4.1 Trở kháng vào của anten
Trở kháng vào của anten ZA bao gồm cả phần thực và phần kháng là tỷ số giữa điện
áp UA đặt vào anten và dòng điện IA trong anten.

AA
A
A
A
jXR
I
U
Z  (1.5)
Trở kháng vào của anten ngoài ra còn phụ thuộc vào kích thước hình học của anten
và trong một số trường hợp còn phụ thuộc vào vật đặt gần anten.
Thành phần thực của trở kháng vào RA được xác định bởi công suất đặt vào anten PA
và dòng điện hiệu dụng tại đầu vào anten IAe

Ae
A

A
I
P
R  (1.6)
Thành phần kháng của trở kháng vào của anten được xác định bởi đặc tính phân bố
dòng điện và điện áp dọc theo anten (đối với anten dây) và trong một số trường hợp cụ thể
có thể tính toán theo các biểu thức của đường dây truyền sóng.
Hầu hết các anten chỉ hoạt động trong một dải tần nhất định vì vậy để có thể truyền
năng lượng với hiệu suất cao từ máy phát đến anten cần phối hợp trở kháng giữa đầu ra
máy phát và đầu vào của anten.

1.4.2 Hiệu suất của anten
Anten được xem như là thiết bị chuyển đổi năng lượng, do đó một thông số quan
trọng đặc trưng của nó là hiệu suất. Hiệu suất của anten
A

chính là tỷ số giữa công suất
bức xạ Pbx và công suất máy phát đưa vào anten Pvào hay PA

A
bx
A
P
P


(1.7)
Hiệu suất của anten đặc trưng cho mức tổn hao công suất trong anten. Đối với anten
có tổn hao thì Pbx < Pvào do đó
A


< 1. Gọi công suất tổn hao là Pth


thbxA
PPP


(1.8)
Đại lượng công suất bức xạ và công suất tổn hao được xác định bởi giá trị điện trở
bức xạ Rbx và Rth vậy ta có:



thbxAeAAeA
RRIRIP 
22
.
(1.9)
Từ biểu thức (1.7) ta viết lại thành:
11


thbx
bx
thbx
bx
A
RR
R

PP
P





(1.10)
1.4.3 Hệ số hướng tính và hệ số tăng ích
Như đã biết anten có rất nhiều loại và để so sánh giữa các anten với nhau người ta
đưa vào thông số hệ số hướng tính (hệ số định hướng) và hệ số tăng ích (hệ số khuếch đại
hoặc độ lợi). Các hệ số này cho phép đánh giá phương hướng và hiệu quả bức xạ của
anten tại một điểm xa nào đó của trên cơ sở so sánh với anten lý tưởng (hoặc anten chuẩn)
Anten lý tưởng là anten có hiệu suất
A

= 1, và năng lượng bức xạ đồng đều theo
mọi hướng. Anten lý tưởng được xem như một nguồn bức xạ vô hướng hoặc là một chấn
tử đối xứng nửa bước sóng.
Hệ số định hướng của anten D(,) là số lần phải tăng công suất bức xạ khi chuyển
từ anten có hướng tính sang anten vô hướng (anten chuẩn) để sao cho vẫn giữ nguyên giá
trị cường độ trường tại điểm thu ứng với hướng (,) nào đó

)0(
),(
)0(
),(
),(
2
11

2
11
11
E
E
P
P
D
bx
bx




(1.11)
Trong đó:
D(
11
,

) là hệ số định hướng của anten có hướng ứng với phương (
11
,

);
Pbx (
11
,

) và Pbx (0) là công suất bức xạ của anten có hướng tính ứng với hướng

(
11
,

) và công suất bức xạ của anten vô hướng tại cùng điểm xét.
E(
11
,

), E(0) là cường độ trường tương ứng của chúng.
Điều này có nghĩa là phải tăng lên D(
11
,

) lần công suất bức xạ Pbx(0) của anten vô
hướng để có được trường bức xạ tại điểm thu xem xét bằng giá trị E(
11
,

).
Hệ số tăng ích của anten G(,) chính là số lần cần thiết phải tăng công suất dựa vào
hệ thống anten khi chuyển từ một anten có hướng sang một anten vô hướng để sao cho
vẫn giữa nguyên cường độ trường tại điểm thu theo hướng đã xác định (,).
),(),(

DG
A
 (1.12)
Hệ số tăng ích là một khái niệm đầy đủ hơn, nó đặc trưng cho anten cả đặc tính bức
xạ và hiệu suất của anten. Từ (1.12) có thể thấy hệ số tăng ích luôn nhỏ hơn hệ số định

hướng. Nếu ta biết tăng ích của anten trong dải tần xác định ta có thể tính được Pbx theo
công thức sau:

AAbx
GPP . (1.13)
12

1.4.4 Đồ thị phương hướng và góc bức xạ của anten
Mọi anten đều có tính phương hướng nghĩa là ở một hướng nào đó anten phát hoặc
thu là tốt nhất và cũng có thể ở hướng đó anten phát hoặc thu xấu hơn hoặc không bức xạ,
không thu được sóng điện từ. Vì vậy vấn đề là phải xác định được tính hướng tính của
anten. Hướng tính của anten ngoài thông số về hệ số định hướng như đã phân tích ở trên
còn được đặc trưng bởi đồ thị phương hướng của anten.
Đồ thị phương hướng là một đường cong biểu thị quan hệ phụ thuộc giá trị tương
đối của cường độ điện trường hoặc công suất bức xạ tại những điểm có khoảng cách bằng
nhau và được biểu thị trong hệ toạ độ góc hoặc toạ độ cực tương ứng với các phương của
điểm xem xét.


Hình 1.2 Đồ thị phương hướng trong toạ độ cực [6]

Hình 1.3 Đồ thị phương hướng trong toạ độ góc [6]
13

Dạng đồ thị phương hướng có giá trị trường theo phương cực đại bằng một như vậy
được gọi là đồ thị phương hướng chuẩn hoá. Nó cho phép so sánh đồ thị phương hướng
của các anten khác nhau. Trong không gian, đồ thị phương hướng của anten có dang hình
khối, nhưng trong thực tế chỉ cần xem xét chúng trong mặt phẳng ngang (góc ) và mặt
phẳng đứng góc ().
Trường bức xạ biến đổi từ giá trị cực đại đến giá trị bé, có thể bằng không theo sự

biến đổi của các góc theo phương hướng khác nhau. Để đánh giá dạng của đồ thị phương
hướng người ta đưa vào khái niệm độ rộng của đồ thị phương hướng hay còn gọi là góc
bức xạ. Góc bức xạ được xác định bởi góc nằm giữa hai bán kính vector có giá trị bằng
0.5 công suất cực đại, cũng vì vậy mà góc bức xạ còn được gọi là góc mở nửa công suất.
1.4.5 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương
Trong một số hệ thống truyền tin vô tuyền ví dụ như thông tin vệ tinh, công suất bức
xạ của máy phát và anten phát được đặc trưng bởi tham số công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương. Ký hiệu là EIRP
TT
GPEIRP  (W)
Trong đó PT là công suất đầu ra của máy phát đưa vào anten và GT là hệ số tăng ích
của hệ thống anten có hướng tính
Hệ số tăng ích GT của anten nói lên việc tập trung công suất bức xạ của máy phát
cung cấp cho anten vào búp sóng hẹp của anten. Công suất bức xạ đẳng hướng là công
suất đuợc bức xạ với anten vô hướng, trong trường hợp này có thể xem GT = 1. Nếu như
anten có búp sóng càng hẹp thì giá trị EIRP của nó càng lớn.
1.4.6 Tính phân cực của anten
Trong trường hợp tổng quát, trên đường truyền lan của sóng, các vector
HE


,
có
biên độ và pha biến đổi. Theo quy ước, sự phân cực của sóng được đánh giá và xem xét
theo sự biến đổi của vector điện trường. Cụ thể là, hình chiếu của điểm đầu mút (điểm cực
đại) của vector điện trường trong một chu kỳ lên mặt phẳng vuông góc với phương truyền
lan của sóng sẽ xác định dạng phân cực của sóng.
Nếu hình chiếu đó có dạng elip thì phân cực là elip; nếu hình chiếu là hình tròn thì
phân cực là tròn và nếu là dạng đường thẳng thì là phân cực thẳng. Trong trường hợp tổng
quát thì dạng elip là dạng tổng quát còn phân cực thẳng và tròn chỉ là trường hợp riêng.

Tuỳ vào ứng dụng mà người ta chọn dạng phân cực. Ví dụ để truyền lan hoặc thu
sóng mặt đất thường sử dụng anten phân cực thẳng đứng bởi vì tổn hao thành phần thẳng
đứng của điện trường trong mặt đất bé hơn nhiều so với thành phần nằm ngang. Hoặc để
phát và thu sóng phản xạ từ tầng điện ly thường sử dụng anten phân cực ngang bởi vì tổn
hao thành phần ngang của điện trường bé hơn nhiều so với thành phần đứng.
14

1.4.7 Dải tần của anten
Dải tần của anten là khoảng tần số mà trong đó các thông số tính toán của anten
nhận các giá trị trong giới hạn cho phép. Giới hạn đó được quy định là mức nửa công
suất. Nghĩa là các tần số lệch với tần số chuẩn fo của anten thì việc lệch chuẩn đó làm
giảm công suất bức xạ không quá 50%. Các tần số trong dải tần của anten thường gọi là
tần số công tác.
Thường dải tần được phân làm 4 nhóm
- Anten dải tần hẹp (anten tiêu chuẩn):
%10
0


f
f
tức là 1.1
min
max

f
f

- Anten dải tần tương đối rộng
%50%10

0



f
f
tức là 5.11.1
min
max

f
f

- Anten dải tần rộng
45.1
min
max

f
f

- Anten dải tần rất rộng
4
min
max

f
f

Trong đó: Δf = fmax – fmin

1.5 Các hệ thống anten
 Anten thông dụng: anten râu ôtô, anten tai thỏ tivi, anten vòng cho UHF,
anten loga chu kỳ cho tivi, anten parabol trong thông tin vệ tinh
 Trạm tiếp sóng vi ba: anten mặt, anten parabol bọc nhựa
 Hệ thống thông tin vệ tinh: hệ anten loa đặt trên vệ tinh, anten chảo thu sóng
vệ tinh, mảng các loa hình nón chiếu xạ (20-30GHz)
 Anten phục vụ nghiên cứu khoa học.
Quy ước về các dải tần số
Dải tần số Tên, ký hiệu Ứng dụng
3-3 KHz Very low Freq (VLF) Đạo hàng, định vị
30-300 KHz Low Freq (LF) Pha vô tuyến cho mục đích
đạo hàng
15

300-3000 KHz Medium Freq (MF) Phát thanh AM, hàng hải, trạm
thông tin duyên hải, tìm kiếm
3-30 MHz High Freq (HF) Điện thoại, điện báo, phát
thanh sóng ngắn, hàng hải, hàng không
30-300 MHz Very High Freq (VHF) TV, phát thanh FM, điều khiển giao
thông, cảnh sát, taxi, đạo hàng
300-3000 MHz Ultra High Freq (UHF) Tivi, thông tin vệ tinh, do thám, radar
3-30 GHz Super High Freq (SHF) Hàng không, vi ba, thông tin di động,
vệ tinh.
30-300 GHz Extremly High Freq (EHF) Radar, nghiên cứu khoa học

16

Chương 2 ANTEN MẠCH DẢI


2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Lý thuyết phát xạ trên cấu trúc mạch dải được đưa ra đầu tiên vào năm 1953 bởi
Deschamps tuy nhiên phải đến những năm 70 thì nó mới thực sự phát triển và đi vào thực
tế. Và những anten sử dụng công nghệ này được chế tạo đầu tiên bởi Howell và Munson
[7]. Với những lợi điểm của mình như nhỏ gọn, giá thành thấp, dễ chế tạo, và đặc biệt là
khả năng tích hợp với các hệ thống xử lý tín hiệu nên anten mạch dải cho đến nay ngày
càng phát triển trong những lĩnh vực siêu cao tần như anten cho thiết bị di động, WLAN,
hệ thống anten thông minh…
2.1.1 Cấu tạo

Anten mạch dải bản chất là một kết cấu bức xạ kiểu khe.Mỗi phần tử anten mạch dải
gồm có các phần chính là phiến kim loại, lớp đế điện môi, màn chắn kim loại và bộ phận
tiếp điện. Phiến kim loại được gắn trên lớp đế điện môi tạo nên một kết cấu tương tự như
một mảng của mạch in, vì thế anten mạch dải còn có tên là là anten mạch in [1].


Hình 2.1 Cấu trúc anten mạch dải [3]
Các thông số cấu trúc cơ bản của anten mạch dải là chiều dài L, chiều rộng W, độ
dày chất nền h, hằng số điện môi .
Tuỳ thuộc vào giá trị các thông số trên ta có các loại anten khác nhau. Có 4 dạng cơ
bản anten mạch dải [7] :
 Anten mạch dải dạng tấm (Microstrip Patch Antenna), gồm có tấm dẫn điện
ở trên một phía của tấm điện môi. Tấm dẫn điện có thể là hình vuông, hình
chữ nhật, hình tròn, hình elip, hay hình tam giác, hình vòng nhẫn.
17


Hình 2.2 Các hình dạng của anten mạch dải dạng tấm.
 Anten dipole mạch dải (Printed Dipole Antenna), gồm có các tấm dẫn điện
giống như anten mạch dải dạng tấm tuy nhiên anten dipole mạch dải gồm có
các tấm đối xứng ở cả 2 phía của tấm điện môi.

Hình 2.3 Cấu trúc anten dipole mạch dải.
 Anten khe mạch dải (Printed Slot Antenna), gồm có khe hẹp ở trên mặt
phẳng đất. Khe hẹp này có thể bất cứ hình dạng gì tuy nhiên thông thường là
dạng hình chữ nhật, hình nón, hình khuyên.
18


Hình 2.4 Các dạng cơ bản của anten khe mạch dải.

 Anten mạch dải sóng chạy (Microstrip Traveling-Wave Antenna), gồm các
đoạn dãy xích hay dạng thước dây dẫn điện nối tiếp nhau trên bề mặt của
tấm điện môi.

Hình 2.5 Các hình dạng của anten mạch dải sóng chạy.
19

Có 3 phương pháp tiếp điện cho anten mạch dải: dùng cáp đồng trục, đường mạch
dải và ghép khe [7]
 Dùng cáp đồng trục xuyên từ mặt phẳng đất lên tiếp xúc với tấm dẫn điện.
Để phối hợp trở kháng thì chỉ cần tiếp điện ở những vị trí thích hợp trên tấm
dẫn điện. Nếu tiếp điện ở tâm của tấm dẫn điện ta sẽ có trở kháng vào bằng
không. Có thể tính toạ độ tiếp điểm theo công thức sau:

2
W
Y
f

(2.1)

)(2 l
L
X
re
f

 (2.2)
Với
2/1

)121(
2
1
2
1






L
h
rr
re


(2.3)

Hình 2.6 Tiếp điện bằng cáp đồng trục

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương khi tiếp điện bằng cáp đồng trục
20

 Tiếp điện bằng đường mạch dải. Phương pháp này dễ thực hiện hơn cách
tiếp điện bằng cáp đồng trục, đường mạch dải có độ dài g/4 để phối hợp trở
kháng giữa đường tín hiệu vào từ cổng 50  tới trở kháng vào của anten.

Hình 2.8 Tiếp điện bằng đường mạch dải

Hình 2.9 Sơ đồ tương đương khi tiếp bằng đường mạch dải.
 Tiếp điện bằng ghép khe dùng trong trường hợp phối hợp dải rộng. Ta ghép
giữa đường mạch dải 50  với trở kháng vào của anten bằng khoảng cách s.
Khoảng cách này sẽ như là thành phần điện dung C.

Hình 2.10 Tiếp điện bằng ghép khe
21


Hình 2.11 Sơ đồ tương đương tiếp điện bằng ghép khe
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của anten mạch dải
Sóng điện từ fring off từ tấm phía trên vào trong lớp điện môi, sau đó phản xạ trên
mặt phẳng đất và bức xạ vào không gian phía trên. Trường bức xạ xảy ra chủ yếu do
trường giữa tấm phẳng phía trên và mặt phẳng đất.

Hình 2.11 Trường bức xạ E và H của anten mạch dải.[9]
Phụ thuộc vao từng cấu trúc, chúng ta phân biệt 4 loại sóng trong cấu trúc mạch dải
phẳng đó là: sóng không gian, sóng mặt, sóng rò, sóng trong ống dẫn sóng. Nếu cấu trúc
sử dụng như một anten thì hầu hết năng lượng sẽ được biến đổi thành sóng không gian.
Còn nếu cấu trúc sử dụng để dẫn sóng thì phần lớn năng lượng được giữ trong ống dẫn
sóng. Còn lại 2 loại sóng kia là suy hao không mong muốn nhưng đôi khi vẫn có những
ứng dụng sử dụng loại sóng này như leaky antenna [1].
 Sóng không gian được phát xạ lên phía trên bề mặt phiến kim loại. Những
sóng này có thể bức xạ đi xa và giảm nhanh theo khoảng cách 1/r. Trong cấu
trúc mạch dải thì sóng không gian chỉ tồn tại ở nửa trên vì màn chắn kim loại
đã ngăn không cho bức xạ xuống không gian phía dưới.
22

 Sóng trong ống dẫn sóng là sóng tồn tại trong lớp đế điện môi giữa màn chắn
dẫn điện và phiến kim loại.

 Sóng rò phát sinh khi sóng truyền trong lớp điện môi tới màn chắn kim loại
theo góc nhỏ hơn góc tới hạn. Sau khi phản xạ từ màn chắn, một bộ phận của
sóng sẽ khúc xạ qua mặt giới hạn điện môi – không khí, khiến cho một phần
năng lượng rò ra khỏi lớp điện môi.
 Sóng mặt là các sóng có năng lượng tập trung chủ yếu trên bề mặt và bên
trong lớp điện môi. Chúng được phản xạ toàn phần tại mặt giới hạn điện môi
– không khí, giống như sóng trong ống dẫn sóng điện môi hay trong sợi cáp
quang.
2.2 Tính phân cực của anten mạch dải
Sự phân cực của anten là phân cực của sóng bức xạ theo một hướng nhất định, nó
thường phụ thuộc vào kỹ thuật tiếp điện. Tuỳ vào mục đích sử dụng mà ta có thể tạo ra
các trường bức xạ phân cực thẳng hoặc phân cực tròn bằng cách sử dụng các biện pháp
thích hợp.
Với các biện pháp tiếp điện thông thường thì trường phân cực của anten mạch dải là
trường phân cực thẳng. Anten khe là một dạng đơn giản nhất của anten phân cực thẳng.

Hình 2.12 Tiếp điện bằng 1 đường mạch dải [4]

23


Hình 2.13 Đồ thì bức xạ 3 chiều [4]
Để tạo được trường phân cực tròn ta kết hợp 2 đường tiếp điện vào 2 cạnh của anten
hoặc từ một cổng ta chia ra thành 2 đường tiếp điện với hiệu độ dài là /4

Hình 2.14 Tiếp điện bằng 2 đường mạch dải vào hai cạnh của anten.[4]


Hình 2.15 Đồ thị bức xạ 3 chiều [4]
24

Ưu điểm lớn nhất của phân cực tròn là bất kỳ anten thu đặt theo hướng nào nó cũng
có thể thu được một thành phần của tín hiệu. Điều đó là do sóng tới có góc quay biến đổi.
Kiểu anten phân cực tròn thường được sử dụng trong các hệ WLAN ở môi trường truyền
sóng phức tạp.
2.3 Băng thông của anten mạch dải
Độ rộng băng thông của anten mạch dải được định nghĩa là khoảng tần số mà trên
mà trên đó anten phối hợp tốt với đường dây tiếp điện trong một giới hạn xác định. Nói
cách khác, đó chính là khoảng tần số mà anten đáp ứng được các yêu cầu đặt ra.
Độ rộng băng tần của anten mạch dải tỷ lệ với độ dày của lớp điện môi. Khi độ dày
của lớp điện môi rất nhỏ so với bước sóng, dải tần thường rất hẹp. Ví dụ, độ rộng băng
với tỷ lệ sóng đứng nhỏ hơn 2:1 có thể tính toán theo công thực kinh nghiệm sau [1]:








32/1
4
2
t
ff (2.4)
Δf là độ rộng băng, f là tần số hoạt động, t là độ dày điện môi.
Để tăng độ rộng băng có thể sử dụng lớp điện môi dày, với hằng số điện môi thấp.
Tuy nhiên, trong thực tế việc tăng độ dày lớp điện môi là có giới hạn, vì khi t > 0.10 thì
ảnh hưởng của sóng bề mặt sẽ làm giảm hiệu suất của anten.
2.4 Phương pháp phân tích và thiết kế anten mạch dải

Hai phương pháp thường được sử dụng để phân tích anten mạch dải là phượng pháp
đường truyền dẫn và phương pháp hốc cộng hưởng mở rộng. Phương pháp đường truyền
dẫn được sử dụng cho các trường hợp phiến kim loại có hình dạng đơn giản, còn phương
pháp hốc cộng hưởng mở rộng được áp dụng cho các trường hợp được áp dụng cho các
trường hợp phiến kim loại có hình dạng phức tạp.
Theo phương pháp đường truyền dẫn, mỗi anten mạch dải hình chữ nhật có thể được
mô tả tương đương với 2 khe bức xạ, mỗi khe có chiều dài W (bằng độ rộng của tấm
mạch dải) và đặt song song cách nhau một khoảng L. Mỗi khe bức xạ được coi như một
dipole từ. Khi chọn L = d/2 do vì mặt bức xạ của 2 khe lại hướng theo 2 phía ngược nhau
nên kết quả là đường sức điện trường trong 2 khe lại trở nên cùng chiều trong không gian.
Phần tử bức xạ này được gọi là phần tử mạch dải nửa sóng.[1]